諧波在供配電系統(tǒng)中產(chǎn)生的原因及抑制

王義輝

一、概述

在理想的情況下,優(yōu)質(zhì)的電力供應(yīng)應(yīng)該提供具有正弦波形的電壓。但在實(shí)際中供電電壓的波形會由于某些原因而偏離正弦波形,即產(chǎn)生諧波。我們所說的供電系 統(tǒng)中的諧波是指一些頻率為基波頻率(在我國取工業(yè)用電頻率50Hz為基波頻率)整數(shù)倍的正弦波分量,又稱為高次諧波。在供電系統(tǒng)中,產(chǎn)生諧波的根本原因是 由于給具有非線性阻抗特性的電氣設(shè)備(又稱為非線性負(fù)荷)供電的結(jié)果。這些非線性負(fù)荷在工作時(shí)向電源反饋高次諧波,導(dǎo)致供電系統(tǒng)的電壓、電流波形畸變,使 電力質(zhì)量變壞。因此,諧波是電力質(zhì)量的重要指標(biāo)之一。

諧波的危害表現(xiàn)為引起電氣沒備(電機(jī)、變壓器和電容器等)附加損耗和發(fā)熱:使同步發(fā)電機(jī)的額定輸出功率降低,轉(zhuǎn)矩降低,變壓器溫度升高,效率降低,絕緣加速老化,縮短使用壽命,甚至能降低繼電保護(hù)、控制、以及檢測裝置的工作精度和可靠性等。諧波注入電網(wǎng)后會使無功功率加大,功率因數(shù)降低,甚至有可能引發(fā)并聯(lián)或串聯(lián)諧振,損壞電氣設(shè)備以及干擾通信線路的正常工作。

供電系統(tǒng)中的諧波問題已引起各界的廣泛關(guān)注,為保證供電系統(tǒng)中所有的電氣,電子設(shè)備能在電磁兼容意義的基礎(chǔ)上進(jìn)行正常、和諧的工作,必須采取有力的措施,抑制并防止電網(wǎng)中因諧波危害所造成的嚴(yán)重后果。

二、諧波產(chǎn)生的原因

在電力的生產(chǎn)、傳輸、轉(zhuǎn)換和使用的各個(gè)環(huán)節(jié)中都會產(chǎn)生諧波。

在發(fā)電環(huán)節(jié),當(dāng)對發(fā)電機(jī)的結(jié)構(gòu)和接線采取一些措施后,可以認(rèn)為發(fā)電機(jī)供給的是具有基波頻率的正弦波形的電壓。

在其他幾個(gè)環(huán)節(jié)中,諧波的產(chǎn)生主要是來自下列具有非線性特性的電氣設(shè)備:(1)具有鐵磁飽和特性的鐵芯沒備,如:變壓器、電抗器等;(2)以具有強(qiáng)烈非線性特性的電弧為工作介質(zhì)的設(shè)備,如:氣體放電燈、交流弧焊機(jī)、煉鋼電弧爐等;(3)以電力電子元件為基礎(chǔ)的開關(guān)電源設(shè)備,如:各種電力變流設(shè)備(整流器、逆變器、變頻器)、相控調(diào)速和調(diào)壓裝置,大容量的電力晶閘管可控開關(guān)設(shè)備等,它們大量的用于化工、電氣鐵道,冶金,礦山等工礦企業(yè)以及各式各樣的家用電器中。以上這些非線性電氣設(shè)備(或稱之為非線性負(fù)荷)的顯著的特點(diǎn)是它們從電網(wǎng)取用非正弦電流,也就是說,即使電源給這些負(fù)荷供給的是正弦波形的電壓, 但由于它們只有其電流不隨著電壓同步變化的非線性的電壓-電流特性,使得流過電網(wǎng)的電流是非正弦波形的,這種電流波形是由基波和與基波頻率成整數(shù)倍的諧波組成,即產(chǎn)生了諧波,使電網(wǎng)電壓嚴(yán)重失真,此外電網(wǎng)還必須向這類負(fù)荷產(chǎn)生的諧波提供額外的電能。

接入低壓供電系統(tǒng)的非線性設(shè)備產(chǎn)生的諧波電流可分為穩(wěn)定的諧波和變化的諧波兩大類。所謂穩(wěn)定的諧波電流是指由這種諧波的幅度不隨時(shí)間變化,如視頻顯示設(shè)備和測試儀表等產(chǎn)生的諧波,這類設(shè)備對電網(wǎng)來說表現(xiàn)為恒定的負(fù)載。由激光打印機(jī)、復(fù)印機(jī)、微波爐等產(chǎn)生的各次諧波的幅值隨時(shí)間變化,稱之為波動(dòng)的諧波, 這類設(shè)備對電網(wǎng)來說是一個(gè)隨時(shí)間變化的負(fù)載。

隨著電力電子設(shè)備使用的不斷增加,同時(shí)這些設(shè)備產(chǎn)生的諧波又具有較大的振幅,所以目前它們是供電系統(tǒng)中的主要諧波源。

三、諧波的危害

以前由于接入供電系統(tǒng)的非線性設(shè)備較小,供電系統(tǒng)中引起的諧波電流也很小,所以對電力質(zhì)量的影響不大。隨著電子技術(shù)的發(fā)展,使用大功率半導(dǎo)體開關(guān)器件 以及各類開關(guān)電源的產(chǎn)品,如電視機(jī)、空調(diào)器、節(jié)能燈、調(diào)光器、洗衣機(jī)、微波爐,信息技術(shù)設(shè)備等迅速涌入居民家庭,雖然每臺設(shè)備向電網(wǎng)注入的諧波電流不大, 但這些設(shè)備數(shù)量大、分布廣。有些家用電器如電視機(jī)、空調(diào)器等在使用時(shí)具有集中的特點(diǎn),在某些時(shí)段會使注入到電網(wǎng)的諧波電流對公用電網(wǎng)造成的諧波問題特別突出,這不但使接入該電網(wǎng)的設(shè)備無法正常工作,甚至造成故障,而且還會使供電系統(tǒng)中性線承受的電流超載,影響供電系統(tǒng)的電力輸送。因此諧波問題得到各有關(guān)方面的高度重視。

供電系統(tǒng)中的諧波危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

1.增加了發(fā)、輸、供和用電設(shè)備的附加損耗,使設(shè)備過熱,降低設(shè)備的效率和利用率。

由于諧波電流的頻率為基波頻率的整數(shù)倍,高頻電流流過導(dǎo)體時(shí),因集膚效應(yīng)的作用,使導(dǎo)體對諧波電流的有效電阻增加,從而增加了設(shè)備的功率損耗、電能損耗,使導(dǎo)體的發(fā)熱嚴(yán)重。

2.影響繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置的工作和可靠性。

3.使測量和計(jì)量儀器的指示和計(jì)量不準(zhǔn)確。

4.干擾通信系統(tǒng)的工作。

5.對用電設(shè)備亦有影響。

四、抑制供電系統(tǒng)諧波的一般對策

諧波問題是關(guān)系到供電系統(tǒng)的供電質(zhì)量的一個(gè)重要問題,它不但與供電部門有關(guān),而且還關(guān)系到廣大電力用戶和電器設(shè)備制造廠的切身利益。為減少供電系統(tǒng)的諧波問題,一般從管理上和技術(shù)措施上采取以下幾方面的對策:

1.貫徹執(zhí)行有關(guān)諧波的國家標(biāo)準(zhǔn),加強(qiáng)諧波管理。

2.增加換流裝置的相數(shù)。

3.增裝動(dòng)態(tài)無功補(bǔ)償裝置,提高供電系統(tǒng)承受諧波的能力。

4.加裝濾波裝置(包括無源濾波和有源濾波裝置)。

總之,一方面要嚴(yán)格限制諧波的發(fā)射水平。另一方面還要設(shè)法提高設(shè)備自身的抗諧波干擾的能力,改善諧波保護(hù)性能,以做到真正意義上的電磁兼容。□

(編輯/穆楊)